Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих технологий и способов выполнения вертолетами авиационных строительно-монтажных и транспортных работ с использованием внешней подвески 20
1.1. Вводные замечания 20
1.2. Способы и технологические схемы выполнения АСМР 20
1.2.1. Способ свободного монтажа 21
1.2.2. Монтаж способом поворота 27
1.2.3. Демонтаж конструкций 31
1.2.4. Работы с гибкими элементами 35
1.3. Состояние отечественного вертолетного парка для выполнения АСМР 45
1.4. Влияние различных эксплуатационных факторов и внешних условий на выполнение АСМР 51
1.4.1. Влияние метеорологических условий в районе выполнения АСМР и рельефа местности 51
1.4.2. Анализ методов пилотирования вертолета на АСМР и основные причины характерных ошибок в действиях экипажа 65
1.4.2.1. Косвенный метод 65
1.4.2.2. Прямой метод 71
1.4.2.3. Характерные отклонения, ошибки в действиях экипажа и их причины при выполнении АСМР вертолетом и полетах с грузом на внешней подвеске 73
1.4.3. Влияние уровня подготовки вспомогательного персонала, состояние авиационной техники, технических средств и специального оборудования вертолетов на эффективность и безопасность полетов при проведении АСМР 79
1.5. Методы исследования безопасности и эффективности применения вертолетов при выполнении АСМР с использованием внешней подвески 82
1.6. Выводы по главе 1 86
2. Разработка и применение теоретических методов исследования движения вертолета при выполнении АСМР с грузом на внешней подвеске 89
2.1. Постановка задачи 89
2.2. Метод исследования колебаний груза на внешней подвеске...89
2.2.1. Механизм возникновения колебаний груза на внешней подвеске 89
2.2.2. Особенности взаимодействия груза на внешней подвеске вертолета и струи воздушного потока от несущего винта 95
2.2.3. Продольная балансировка двухмассовой динамической системы "вертолет- груз" 98
2.3. Разработка математической модели системы азимутальной ориентации и стабилизации груза на внешней подвеске вертолета 102
2.3.1. Усилия, действующие на груз и тросы внешней подвески 104
2.3.2. Оценка влияния геометрических размеров подвески на относительное вращающее усилие 106
2.3.3. Определение крутильных колебаний груза на бифилярной внешней подвеске 107
2.3.4. Динамические нагрузки в элементах САО 109
2.3.5. Динамический момент на выходном валу САО при пуске или торможении системы 110
2.4. Разработка метода визуализации строительной оси монтажных объектов при выполнении АСМР с применением вертолета 114
2.5. Разработка метода определения параметров движения мягкой оболочки, буксируемой на внешней подвеске
вертолета 120
2.6. Разработка метода определения парметров полета вертолета с грузом на внешней подвеске при отказе одного двигателя в горизонтальном полете, на режимах висения и вертикального маневрирования 128
2.6.1. Вводные замечания 128
2.6.2. Расчет максимально допустимой полетной массы вертолета при отказе одного двигателя на режимах висения и горизонтального полета с грузом на внешней подвеске 132
2.7. Выводы по главе 2 139
3. Математические модели динамики полета вертолета с грузом на внешней подвеске и действий экипажа в условиях возникновения неблагоприятного фактора 142
3.1. Вводные замечания 142
3.2. Математическая модель полета вертолета с грузом на внешней подвеске 143
3.3. Структура моделей действий экипажа и ее характеристики 157
3.4. Характеристики времени запаздывания пилота по парированию последствий воздействия неблагоприятного фактора 165
3.5. Оценка безопасности полета вертолета с грузом на внешней подвеске при воздействии неблагоприятного фактора 170
3.5.1 Определение располагаемого времени пилота при возмущенном движении по крену 175
3.5.2. Определение располагаемого времени пилота при возмущенном движении по тангажу 180
3.6. Выводы по главе 3 184
4. Экспериментальные исследования основных режимов полета вертолета при транспортировке груза на внешней подвеске и выполнении АСМР .186
4.1. Постановка задачи 186
4.2. Методы, технические средства и уровень специального оборудования для экспериментального определения параметров полета вертолета и их соответствие технологическим схемам АСМР 186
4.3. Экспериментальные исследования параметров полета вертолета при аварийном сбросе груза с внешней подвески на режимах висения и в горизонтальном полете 197
4.4. Экспериментальные исследования опытного образца САО 201
4.4.1. Система средств измерений, оборудования и специальной контрольно записывающей аппаратуры при проведении ЛИ 202
4.4.2. Методика проведения первого этапа ЛИ 202
4.4.3. Методика проведения второго этапа ЛИ 206
4.4.4. Результаты экспериментального исследования 207
4.4.5. Сравнение результатов теоретических расчетов с результатами экспериментального исследования 211
4.4.6. Обобщение результатов исследований опытного образца САО 214
4.5. Летные исследования параметров полета вертолета с грузом на внешней подвеске при отказе одного двигателя на режимах висения и горизонтального полета 216
4.5.1. Цели о объект летных исследований 216
4.5.2. Методика проведения летных исследований 217
4.5.2.1. Наземная подготовка 217
4.5.2.2. Методика выполнения полетов 222
4.5.3. Метеоусловия при проведении ЛИ и особенности выполнения полетов 224
4.5.4 Параметры полета вертолета Ми-8АМТ при имитации отказа (дросселировании) одного двигателя в горизонтальном полете с грузом на внешней подвеске 224
4.5.5. Параметры полета вертолета Ми-8АМТ при имитации отказа (выключении) одного двигателя в горизонтальном полете с грузом на внешней подвеске 230
4.5.6. Параметры полета вертолета Ми-8АМТ при имитации отказа (дросселировании) одного двигателя на режиме висения с грузом на внешней подвеске 234
4.6. Выводы по главе 4 236
5. Разработка требований, рекомендаций и предложений по применению вертолетов на авиационных строительно-монтажных работах 240
5.1. Вводные замечания 240
5.2. Разработка требований к профессиональной подготовке летного состава и рекомендаций по выбору рациональных режимов полета вертолета на авиационных строительно-монтажных работах 240
5.2.1. Требования к профессиональному уровню летного состава и его теоретической, тренажерной и летной подготовке к выполнению строительно-монтажных работ 240
5.2.2. Разработка рекомендаций к выбору оптимальных режимов полета вертолета при проведении строительно-монтажных работ 245
5.3. Разработка требований к воздушным судам, техническим средствам и специальному оборудованию для выполнения строительно-монтажных и транспортных работ с использованием внешней подвески 250
5.3.1. Требования к воздушным судам для выполнения авиационных строительно-монтажных работ 251
5.3.2. Разработка требований к техническим средствам и специальному оборудованию вертолетов для выполнения авиационных строительно-монтажных работ 256
5.4. Разработка требований и предложений к обеспечению охраны труда и экологической безопасности при выполнении авиационных строительно-монтажных работ 258
5.5. Выводы по главе 5 262
Заключение 264
Список использованных источников 266
- Влияние метеорологических условий в районе выполнения АСМР и рельефа местности
- Продольная балансировка двухмассовой динамической системы "вертолет- груз"
- Оценка безопасности полета вертолета с грузом на внешней подвеске при воздействии неблагоприятного фактора
- Экспериментальные исследования параметров полета вертолета при аварийном сбросе груза с внешней подвески на режимах висения и в горизонтальном полете
Введение к работе
Воздушные перевозки играют существенную роль в экономике любого современного государства, а также в развитии его международных связей. Россия с ее огромной территорией, значительная часть которой труднодоступна для других видов транспорта, заинтересована в постоянном расширении и совершенствовании сети своих воздушных линий и увеличении объема авиаперевозок.
В настоящее время наряду с ростом грузооборота изменились качественные и количественные характеристики самих грузов. Возникла потребность транспортировки и монтажа неделимых грузов большой массы, имеющих повышенную материальную, социальную и другую ценность. Новые задачи предопределили быстрое развитие воздушного транспорта, и, прежде всего создание мощных вертолетов, способных не только перевозить крупногабаритные грузы на значительные расстояния, но и выполнять их точную установку на возводимых объектах.
Эффективное решение этих задач стало возможным благодаря проведению глубоких научно-технических исследований по вопросам изучения взаимодействия летчика с вертолетом и вертолета со средой, а также путем совершенствования способов и средств проведения указанных технологических операций. Существенную роль при этом играют успехи отечественной науки в области создания средств регистрации, сбора и обработки полетной информации, вычислительной техники, компьютерных технологий и метрологии. Все вместе взятое позволяет в настоящее время весьма детально изучить динамику управляемого движения вертолета с грузом на ВП и определить наиболее оптимальные режимы полета вертолета на АСМР.
Технический уровень современного вертолета, наличие многообразных взаимосвязей между различными службами при подготовке и выполнении полетов, выдвигают для решения проблемы обеспечения безопасности и эффективности проведения АСМР и работ, связанных с транспортировкой грузов на ВП, в качестве непременного условия системный подход, учитывающий взаимосвязь компонентов системы «экипаж - вертолет - объект монтажа» во взаимодействии с другими системами и внесистемными факторами. Поэтому система «экипаж — вертолет — объект монтажа» рассматривается в настоящей работе как центральная и является объектом исследования.
При проведении АСМР всегда встает вопрос о рациональном использовании летного времени, сокращении количества непроизводительных полетов и снижении расходов на их выполнение. Это достигается тщательной подготовкой к выполнению данного вида работ, использованием совершенных технологий, ТС, устройств и приспособлений, а так же выбором эффективных методов и режимов полета вертолета. Анализ результатов отечественных и зарубежных исследований [19, 45, 62, 67] показал, что проблема изучения особенностей пилотирования вертолета на монтажных работах, а так же оценка прогнозируемого и фактического уровня безопасности полетов на АСМР, как и выбор рациональных режимов полета на этом одном из самых сложных видов авиационных работ, в настоящее время изучена недостаточно.
Глубокий анализ функционирования системы «экипаж — вертолет -объект монтажа», обобщение результатов теоретических и летных экспериментов, опыта летной деятельности авиапредприятий и отдельных специалистов на данном виде работ позволит значительно расширить диапазон применения вертолета на АСМР, а выводы и рекомендации по предотвращению авиационных происшествий на уровне экипажа предоставят возможность прогнозировать поведение системы в критических ситуациях.
Создание модели функционирования системы «экипаж — вертолет -объект монтажа» адекватной реальной деятельности, является необходимым условием развития теории ЛЭ вертолета. Поэтому одной из задач настоящих исследований является разработка ММ полета вертолета на АСМР и работах, связанных с перевозкой груза на внешней подвеске вертолета.
Оптимизация режимов полета вертолета на АСМР позволит решить многие вопросы, связанные с деятельностью экипажа в процессе выполнения указанных работ (обоснованное количество членов экипажа на АСМР и распределение между ними функциональных обязанностей, совершенствование деятельности в ожидаемых условиях и особых ситуациях).
К основным задачам оптимизации системы «экипаж — вертолет - объект монтажа» можно отнести:
1. Отбор и разработку требований к профессиональной подготовке экипажа и вспомогательного персонала, осуществляющего деятельность по организации, выполнению и обеспечению полетов на АСМР;
2. Выявление соответствия характеристик вертолета и возможностей экипажа при выполнении АСМР;
3. Разработку требований к созданию оптимального алгоритма деятельности экипажа на борту вертолета, выполняющего АСМР и работы, связанные с транспортировкой грузов на внешней подвеске.
Основными критериями эффективности ЛЭ вертолетов являются уровень безопасности полетов и показатели экономичности. В связи с этим вопросы формализованного описания и количественной оценки эффективности и надежности функционирования системы «экипаж - вертолет - объект монтажа», а также задачи оптимизации ЛЭ вертолетов привлекают все возрастающее внимание, как исследователей, так и специалистов эксплуатационников.
Первые теоретические и практические исследования возможности применения вертолетов на АСМР и транспортных работах с использованием ВП проводились в середине пятидесятых годов коллективами ученых в вертолетных КБ М.Л.Миля и Н.И.Камова, а так же на базе кафедры «Конструкции и проектирования вертолетов» МАИ. В исследованиях этого • l направления принимали участие Братухин И.П., Лесников Н.П., Вильдгрубе Л.С., Шайдаков В.И., Маслов А.Д.
В связи с широкими масштабами промышленно-территориального освоения труднодоступных районов Севера, Сибири и Дальнего Востока в семидесятые годы группой ученых МАИ под руководством В.И. Шайдакова и Ю.С. Богданова была успешно проведена работа по оптимизации параметров вертолетов различного назначения на основе многокритериальной оценки их эффективности. Весомый вклад в разработку современных методов $ транспортировки грузов на ВП и проведения АСМР внесли такие известные ученые, как Логачев Ю.Г., Козловский В.Б., Исаев С.А., Бутылкин И.П., Рощин В.Ф., Барон Р.И. Среди активных научных организаций по проведению исследований в области использования вертолетов для выполнения транспортных операций и АСМР можно отметить ОАО НІЖ «ПАНХ», МАИ, МГТУ ГА и КБ Авиационной Промышленности, а также отдельных энтузиастов-изобретателей. Работа этих коллективов направлена на поиск новых конструктивных решений по созданию технических средств и технологий для проведения АСМР, оценки возможностей вертолетов при их использовании в различных отраслях народного хозяйства и технико-экономическое обоснование их преимуществ перед другими ЛА. Однако, в виду отсутствия целевого финансирования, работы в этом направлении еще далеки от завершения.
Анализ литературы, посвященный современному состоянию подотрасли t ПАНХ и роли науки в ее развитии позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время испытывается существенный недостаток материалов, связанных с разработкой новых комплексных методов исследования проблемы транспортировки грузов на ВП, проведения АСМР и изучения особенностей ЛЭ вертолетов на этих видах авиационных работ.
Предлагаемая работа должна восполнить серьезный пробел в рассматриваемой проблеме.
Таким образом, в диссертации решается важная и актуальная народнохозяйственная задача, связанная с изучением особенностей выполнения АСМР и транспортировки грузов на ВП вертолетов путем применения методов математического моделирования движения ЛА, разработки новых и совершенствования современных теоретических и экспериментальных методов исследования. Анализ результатов, полученных качественным и объективным способами исследования данной проблемы на общей методической основе, позволит взаимно сопоставить аналитические оценки с количественными показателями и, следовательно, повысить достоверность рекомендаций и выводов по особенностям пилотирования вертолета на АСМР.
Цель работы и задачи исследования. Цель работы — разработка комплексных методов исследования и решения широкого спектра практических задач летной эксплуатации вертолетов на АСМР и транспортных работах с использованием ВП.
В работе решаются следующие задачи:
— разработка концепции технологий и способов выполнения вертолетами АСМР с использованием ВП;
— разработка теоретических методов исследования движения вертолета при выполнении АСМР с учетом эксплуатационных ограничений;
— разработка ММ функционирования системы «экипаж - вертолет -объект монтажа» в условиях развития неблагоприятного фактора или их сочетаний в полете;
— разработка методов ЛИ, ТС и уровня специального оборудования для экспериментального определения параметров основных режимов полета системы «экипаж — вертолет - объект монтажа»;
— разработка требований, рекомендаций и предложений по применению вертолетов на АСМР.
Объект исследования — система «экипаж - вертолет - объект монтажа» при выполнении транспортных и строительно-монтажных работ.
Методы исследований. Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, используется аналитические методы и широкий спектр методов математического моделирования, методы решения систем обыкновенных дифференциальных и трансцендентных уравнений, методы теории вероятностей и математической статистики, методы летного эксперимента и математической обработки результатов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— разработана концепция технологий и способов выполнения АСМР вертолетами с использованием ВП;
— предложены методы пилотирования вертолета на АСМР и выявлены основные причины характерных ошибок в действиях экипажа;
— разработан метод исследования колебаний груза на ВП;
— разработана ММ системы азимутальной ориентации и стабилизации груза на ВП вертолета;
— разработан расчетный метод визуализации строительной оси монтажных объектов при выполнении АСМР с применением вертолета;
— разработан расчетный метод определения параметров буксируемой мягкой оболочки на ВП вертолета;
— разработан расчетный метод определения параметров полета вертолета с грузом на ВП при отказе одного двигателя;
— разработана ММ действий экипажа и динамики полета вертолета с грузом на ВП в условиях развития неблагоприятного фактора или их сочетаний;
— разработаны методики проведения ЛИ, технические средства и специальное оборудование для экспериментального определения параметров полета вертолета с грузом на ВП;
— разработаны рекомендации и предложения по применению вертолетов на АСМР и транспортных работах с использованием ВП.
Достоверность результатов исследований обеспечивается непосредственным сравнением численных расчетов с результатами ЛИ и продувок в аэродинамических трубах.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что она позволяет:
— расширить границы исследования поведения вертолета с грузом на ВП на различных этапах полета и сделать ЛИ более безопасными и качественными, что в конечном итоге должно привести к повышению уровня БП;
— обеспечить экономию ресурсов за счет сокращения ЛИ, стендовых и трубных испытаний, проводить анализ особых ситуаций в полете с целью определения предельных возможностей полета вертолета с грузом на ВП;
— проанализировать возможные причины АП;
— оценить значения и влияние внешних эксплуатационных факторов, не регистрируемых в конкретных условиях полета;
— выявить границы безопасных условий полета и возможность снижения летных ограничений;
— определить оптимальные режимы полета вертолета с грузом на ВП по минимуму затрат топлива, времени или эксплуатационных затрат с учетом полного комплекса эксплуатационных ограничений;
— разработать дополнительные предложения по технике пилотирования вертолета с грузом на ВП;
— разработать рекомендации по обучению и тренировке экипажей вертолетов к выполнению АСМР и работам по транспортировке груза на ВП на различных этапах полета;
— использовать результаты проведенных исследований при разработке и совершенствовании руководящих и нормирующих документов по летной эксплуатации вертолетов с грузом на ВП.
Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались и получили положительную оценку на VI Форуме «Российского вертолетного общества» (г.Москва, 2004 г.), на заседаниях кафедральных семинаров МГТУГА, на НТС ОАО НПК «ПАНХ», а также обсуждались на отраслевых научно-технических и летно-технических конференциях.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, использованы и внедрены в научных организациях и эксплуатационных предприятиях ГА в виде инструкций и методик по обеспечению эффективности и безопасности выполнения транспортных и АСМР с помощью вертолетов, утвержденных руководящими органами ГА и авиационной промышленности, а также при обучении летного состава. Результаты диссертационной работы были использованы в учебных пособиях по курсам эффективности систем ГА, аэродинамики, динамики полета, безопасности полетов и летной эксплуатации в АГА, МГТУ ГА, ОАО «СПАРК» и ГосНИИГА. Реализация результатов работы подтверждается актами внедрения.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, 1 тезисы научно-технической конференции, 2 научно-технических отчета.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 79 наименований (из них 7 на иностранных языках) и приложения. Основная часть работы изложена на 192 страницах машинописного текста. Общий объем работы составляет 297 страниц, 13 таблиц, 80 иллюстраций.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности темы исследования, определены цели и содержание поставленных задач, выполнен краткий обзор современного состояния объекта исследования и указаны методологические основы выполненной диссертационной работы.
В первой главе работы рассмотрены различные виды транспортных и АСМР, выполняемых вертолетами во многих отраслях экономики. Дан анализ состояния отечественного вертолетного парка для выполнения указанных видов работ. Выявлены основные особенности и проблемы транспортировки грузов и проведения АСМР с помощью вертолетов. Здесь же рассмотрены возможные методы пилотирования вертолета на АСМР и определены основные причины характерных ошибок в действиях экипажа. Установлено, что модель безопасного функционирования системы «экипаж - вертолет - объект монтажа» в значительной мере зависит от уровня профессиональной подготовки основного и вспомогательного персонала, связанного с организацией, выполнением и обеспечением полетов на АСМР. На основании изучения основных проблем проведения АСМР и транспортировки грузов на ВП обоснована необходимость разработки новых ТС, устройств и приспособлений, позволяющих значительно повысить эффективность их применения для данного класса работ. Аргументирована рекомендация по проведению всесторонних комплексных исследований сложной динамической системы «экипаж — вертолет — объект монтажа» и поведения системы с точки зрения управляемости, устойчивости и маневренности, которые должны включать ЛИ, продувки в AT, испытания на натурных стендах и математическое моделирование. В конце главы сформулированы основные выводы, вытекающие из поставленной цели и проведенного анализа проблемы.
Вторая глава посвящена разработке и применению теоретических методов исследования движения вертолета с грузом на ВП при выполнении АСМР. Рассмотрен механизм возникновения колебаний груза на ВП и изложен подход к способу его стабилизации в полете. Отмечены особенности продольной балансировки двухмассовой системы «вертолет — груз» и рассмотрены основные особенности взаимодействия груза на ВП и струи воздушного потока от НВ вертолета. Разработана ММ САО и системы стабилизации груза на ВП вертолета, а также предложен метод визуализации строительной оси монтажных объектов. Здесь же представлен метод определения параметров полета вертолета с грузом на ВП при отказе одного двигателя в ГП, на режимах висения и вертикального маневрирования, характерных для выполнения АСМР.
Третья глава посвящена анализу действий экипажа в полете вертолета с грузом на ВП как в ожидаемых условиях эксплуатации, так и при возникновении особых ситуаций в полете. Рассмотрены некоторые аспекты деятельности экипажа на АСМР и его характеристики как коллективного оператора. Разработана ММ возможных действий экипажа и динамики полета вертолета в условиях развития неблагоприятного фактора или их сочетаний в полете с грузом на ВП. Определена степень универсальности разработанной базовой ММ и проведен анализ ее адекватности.
В четвертой главе проведен анализ соответствия современных методов, ТС и уровня специального оборудования для выполнения АСМР существующим технологическим схемам этого класса работ. Представлены результаты экспериментальных исследований основных режимов полета вертолета при выполнении АСМР и транспортировки различных грузов на ВП, полученные на основании предложенных методов исследований. Здесь же приведены результаты ЛИ параметров полета вертолета с грузом на ВП при отказе одного двигателя на режимах висения и в ГП.
В пятой главе работы изложены основные положения методических разработок, рекомендаций и предложений по транспортировке грузов на ВП и проведению АСМР различными типами вертолетов с использованием ТС. На основании результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований предложен ряд ТС стабилизации грузов на ВП, позволяющий повысить безопасность и эффективность применения вертолетов на АСМР.
В заключении отмечается, что проведенные в диссертации исследования и полученные результаты позволяют повысить эффективность эксплуатации и обеспечить БП при транспортировке грузов на внешней подвеске и проведении АСМР с помощью вертолетов путем применения усовершенствованных комплексных методов исследования, включающих в себя математическое и натурное моделирование, а также ЛИ.
В приложении содержатся материалы вычислительных экспериментов и ЛИ, а также документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.
Влияние метеорологических условий в районе выполнения АСМР и рельефа местности
Состояние этих ВС в настоящее время характеризуется высоким моральным и физическим износом. Они морально устарели, их серийное производство прекращено, а ресурс в недалеком будущем будет исчерпан. Из всех эксплуатируемых на АСМР вертолетов «физически» новыми можно назвать лишь Ми-26, Ка-32, Ми-8МТВ и Ми-8АМТ (Ми-171), которые составляют всего около 15 % численности парка гражданских вертолетов страны. Основные ЛТХ этих вертолетов общеизвестны.
Специализированные вертолеты - краны, применяемые в России на АСМР и оснащенные дополнительными кабинами для пилота-монтажника, представлены еще более скромно. Это в основном вертолеты Ми-10К, уже практически отработавшие свой ресурс, и не так давно появившиеся экспериментальные образцы Ми-26ПК, Ми-26ТМ, Ми-8МТВ-1К и Ка-32К, которые так и не дошли до своего потребителя.
ВНИИ ПАНХГА еще в 1992г были завершены приемочные ЛИ вертолета Ка-32К, оборудованного полу выдвижной дополнительной кабиной пилота-оператора с электродистанционным четырехканальным управлением, двухстроповой ВП для выполнения СМР, встроенной системой стабилизации вертолета по тросу ВП и рядом других систем, повышающих точность его висения над монтажным объектом [48]. Он был впервые показан мировой общественности на авиационно-космической выставке в Берлине в 1992 году. На этом вертолете был выполнен целый ряд исследовательских полетов по проверке возможностей вертолета в реальных производственных условиях. На нем была отработана технология свободного монтажа телевизионных мачт высотой до 70м в условиях горной местности на высотах до 2000м над уровнем моря. Изучалась возможность выполнения монтажных операций при пилотировании на АСМР летчиком дополнительной кабины с использованием системы автоматической стабилизации вертолета. В ходе испытаний этот вертолет продемонстрировал хорошую способность действовать в условиях высоких температур наружного воздуха и высокогорья. Однако он так и не был допущен к выполнению производственных полетов по причине несовершенства своего электродистанционного управления из дополнительной кабины, а работы по его модернизации были неоправданно свернуты. Для выполнения аналогичных работ Крымской ассоциацией «Авиамонтаж» (г. Симферополь) совместно с КБ им. Миля (г. Москва) и при участии специалистов ВНИИ ПАНХ ГА был разработан уникальный вертолет-кран Ми-8 МТВ-1К, оборудованный дополнительной кабиной пилота, легко устанавливаемой вместо задних грузовых створок [48, 49]. Он также был оснащен САО груза на ВП и двумя дополнительными нижними электрозамками ДГ-63, позволяющими производить автоматическую отцепку установленных конструкций после выполненного монтажа. Это обеспечивало дополнительную безопасность выполняемых работ и существенно сокращало время технологического цикла. В июле 2001 года с помощью вертолета Ми-8МТВ-1К и вертолета-крана Ми-10К НПО «Взлет» (г.Москва) был произведен демонтаж высотного крана БК-473 со здания жилого комплекса «Алые паруса» в районе станции метро Щукинская Северо-Западного административного округа г. Москвы. Этим вертолетом успешно были выполнены работы по установке систем кондиционирования воздуха на крыше Государственного исторического музея в 1992г в г. Москве и строительству канатно-кресельной дороги в Ивано-Франковской области в 2002г. Вместе с тем широкое внедрение этого вертолета в эксплуатацию сдерживается малым запасом ресурса, установленным изготовителями, на оборудование и систему управления вертолетом в дополнительной кабине [48]. Вертолет Ми-26К является модификацией Ми-26Т и представляет собой проект тяжелого вертолета-крана с экипажем из шести человек с максимальной коммерческой загрузкой, увеличенной до 25 т [48]. Однако до настоящего времени отечественной авиационной промышленностью не был построен даже опытный образец этого ВС. Очевидно, что прогноз потребностей отраслей экономики в АСМР и транспортных работах является исходной базой для обоснования стратегии развития специализированных вертолетов-кранов. В условиях максимальной ориентации авиапредприятий на удовлетворение общественных потребностей возрастает значение детального изучения динамики спроса для расширения сфер применения AT и выявления приоритетных авиатехнологий. Такой подход напрямую увязывает типоразмерную структуру парка и технический уровень ВС для АСМР с их функциональным назначением, определяемым потребностями заказчиков этих работ. В 1980 - 1982 гг. во ВНИИ ПАНХ ГА были разработаны предложения по вертолетам средней и большой грузоподъемности (типы и потребное количество) для их применения на АСМР и работах, связанных с перевозкой грузов на ВП до 2000 г. и разработана целевая программа развития ПАНХ на период до 2006 г. (А.И. Плешаков, О.В. Худоленко, В.П. Леншин, Л.П. Козлова, В.П. Кравченко) [52, 71]. Оптимизация типоразмерного ряда вертолетов проводилась по совокупности критериев эффективности с применением ЭВМ на базе операционных распределительных моделей, включающих основные параметрические связи ВС. Отличительная особенность и новизна проведенных исследований состояла в том, что оптимизация типоразмерного ряда осуществлялась в комплексе с типизацией грузов и с учетом способов АСМР и организации перевозок как отдельных, так и консолидированных грузов при использовании нескольких вертолетов в одной группе. Наибольшую экономическую эффективность при выполнении прогнозируемых объемов АСМР и работ по перевозке грузов на ВП должен был обеспечить парк вертолетов грузоподъемностью: 1000-1500, 4000-5000, 10000-12000, 17000-20000 и 45000-55000 кг. [71]. К сожалению, разработанный комплексный прогноз и долгосрочная программа развития авиации ПАНХ так и не были реализованы по причине экономических и социальных преобразований в стране.
Продольная балансировка двухмассовой динамической системы "вертолет- груз"
Следует отметить, что при организации ЛИ летающих транспортных средств не последнее место занимают соображения безопасности персонала и населения, охраны окружающей среды и защиты технической информации. Недостатком ЛИ, проводимых на движущихся технических системах, считается частая утрата полезной информации из-за невысокой надежности датчиков и систем телеметрии.
Из вышесказанного следует, что необходимая полнота экспериментальных исследований характеристик летающих технических систем может быть достигнута лишь при наличии развитой испытательной базы.
Следует отдельно остановиться на связи ЛИ и расчетных методов оценки летных характеристик и БП вертолета. Этот вопрос имеет две стороны: во-первых, проведению ЛИ (в частности, в особых случаях полета и движении с грузом на внешней подвеске) всегда предшествует проведение расчетных работ, на основании которых составляется программа испытаний, а, во-вторых, несмотря на развитие методов и средств ЛИ, все же нельзя смоделировать в полете все возможные варианты особых ситуаций из-за большой опасности некоторых экспериментов (например, посадка с неработающими двигателями на режиме авторотации вертолета), так и из-за сложности моделирования необходимых условий полета (например, при определении максимально-допустимой величины груза на внешней подвеске). Кроме того, пилотируемый полет вертолета является процессом функционированием сложной системы «человек — машина», и от согласованности характеристик человека и техники в такой комплексной системе зависит БП и эффективность использования вертолета. Изучение работы системы «человек — машина» в полете представляет собой довольно сложную задачу, поэтому проведение таких исследований является дорогостоящим мероприятием, особенно если учитывать статистический характер задачи.
Сейчас можно выделить два основных взаимодополняющих направления расчетных исследований летных характеристик и характеристик устойчивости, управляемости и балансировки вертолета: — исследования с помощью аналитических методов; — моделирование на ЭВМ.
Преимуществом аналитических методов является возможность просто установить основные закономерности, оценить устойчивость движения вертолета, определить влияние различных факторов на летные характеристики и характе ристики устойчивости, управляемости и балансировки вертолета [37]. Однако эти методы обычно основаны на существенных упрощениях модели, следовательно, недостаточно точны.
Поэтому в последние годы основное развитие получили расчетные методы исследования динамики полета вертолета с помощью вычислительной техники. Хотя теоретические основы построения и применения математического моделирования движения вертолета сейчас все еще находятся в стадии раз работки и становления, тем не менее, как уже показывает практика [10, 20, 59], математическое моделирования полета вертолета является наиболее перспективным методом предварительного определения его характеристик до начала ЛИ, в процессе их проведения и по окончании испытаний для распространения полученных данных на весь объем ожидаемых условий эксплуатации. Главная трудность в этом вопросе заключается в достоверном задании аэродинамических характеристик вертолета [11, 42], так как полученные в аэродинамических трубах характеристики вертолета часто не позволяют добиться удовлетворительного совпадения расчетов с результатами ЛИ, поэтому сейчас интенсивно развиваются методы идентификации аэродинамических характеристик на основе ЛИ [3,16].
В настоящее время для исследования различных задач динамики полета и пилотажных характеристик вертолета широкое применение находят различные пилотажные стенды [37]. Поскольку управление вертолета пилотом по своей сути является случайным процессом, то его результаты нуждаются в статистической обработке. Но для того, чтобы статистическая обработка эксперимента позволяла получить необходимые данные, требуется, чтобы по основным параметрам и режимам полета при многократных исследованиях была обеспечена хорошая повторяемость условий, что в полете практически невозможно осуществить. Решить эту задачу позволяют исследования на пилотажных стендах. Особенно важную роль играют эти исследования для оценки поведения системы «вертолет — пилот» в сложных условиях полета (например, при отказе одного двигателя в полете с ОВГ на ВП).
Результаты моделирования динамики полета вертолета можно разделить на две основные категории: — объективные оценки, получаемые той или иной формализованной процедурой обработки эксперимента, и — субъективные оценки, формулируемые пилотом.
Необходимо отметить, что моделирование динамики полета вертолета на ЭВМ имеет своей основной задачей получение объективных оценок (хотя в последнее время получили развитие и расчетные методы оценок пилота), а главной задачей моделирования движения вертолета на пилотажных стендах можно считать получение субъективных оценок, даваемых пилотом или оператором.
Подводя итоги всему сказанному, надо заметить, что ни один из рассмотренных методов исследования не может полностью охватить весь круг проблем динамики и БП вертолета. И только разумное сочетание этих методов позволяет решить задачу динамики движения вертолета без груза и с грузом на внешней подвеске в нормальных и особых случаях полета.
Оценка безопасности полета вертолета с грузом на внешней подвеске при воздействии неблагоприятного фактора
Ввиду противоречивости проведенных оценок полетной массы вертолета, обеспечивающей возможность выдерживания режима висения вертолета вне зоны влияния эффекта «воздушной подушки» при отказе одного двигателя и работе второго на ЧР, в качестве mnmax была определена величина 9,8 т, которая на 600 кг превышала предельное расчетное по методу «свободной тяги» значение mnmax.
При этом предполагалось, что в случае большей сходимости расчета mn.max по методу «свободной тяги» с условиями реального полета, в летном эксперименте будет обеспечена нормальная управляемость вертолета с приемлемыми значениями для безопасного завершения полета Vy 0,5 +0,6м/с.
В случае справедливости второго метода расчета (по часовому расходу топлива) вертикальная скорость снижения вертолета не должна была превысить значений Vy 1,4 1,5л /с, что также обеспечивало безопасную посадку вертолета.
Максимальная полетная масса вертолета, обеспечивающая возможность выполнения ГП на наивыгоднейшей скорости 120-140 км/час или набора высоты с вертикальной скоростью Vy = 0,8 м/с на высоте, превышающей высоту площадки взлета на 300 м, при отказе одного двигателя и работе другого на чрезвычайном режиме, определяется по номограммам раздела 3 [35]. Для условий, близким к МСА, рассчитанная по указанным номограммам величина mmax не должна превышать 13000 кг, что позволяет сделать вывод о возможности безопасного продолжения вертолетом ГП со скорость Угп 120 км/ч в течении 1 часа с полетной массой до 13000 кг при ЧР работы двигателя и соблюдении ограничений РЛЭ по использованию максимально допустимой температуры газов перед турбиной 990 С0. Принимая во внимание указанные ограничения, максимальную дальность полета Ми-8АМТ (Ми-8МТВ) для гарантированного выполнения перевозки ОВГ на внешней подвеске в случае отказа одного двигателя в полете, можно установить 120 км (tn0J1= 1 ч. при V=120 км/ч). С учетом характеристик масс вертолета, представленных в табл. 3.1.2 [35], величину полетной массы для типового полета с ОВГ на ВП можно ограничить 9800 кг, включающей в себя и массу целевой загрузки товг 1400кг. Установленная таким образом полетная масса, в отмеченных ранее внешних условиях, позволит обеспечить запас тяги НВ AT = 3200 кг, достаточный для безопасного продолжения полета вертолета при отказе одного двигателя в ГП. 2.7. Выводы по главе 2 1. Предложен метод исследования колебаний груза на ВП вертолета. Показано, что при определенном сочетании параметров груза, элементов ВП и режимов полета возникают колебания груза, что существенно затрудняет пилотирование вертолета, вызывает необходимость уменьшения скорости полета, а иногда и требует выполнения аварийного сброса груза с ВП. 2. Разработан вариант системы азимутальной ориентации и стабилизации груза на ВП вертолета и ее ММ. Проведена проверка основных эксплуатационных параметров полученной теоретической модели на примере практического применения опытного образца САО груза на ВП вертолета Ка 32 в реальных условиях АСМР. Установлено, что предложенная модель САО, оборудованная переходными звеньями от одноточечного крепления на вертолете к бифилярному на грузе, работоспособна и обеспечивает стабильное положение грузов на ВП с моментами инерции менее 5000 кгм2 в ГП при скорости Vn, 100 км/ч, а также позволяет выполнять поворот груза по азимуту на необходимый угол в любом направлении на режиме висения, что значительно сокращает затраты летного времени на выполнении АСМР и упрощает пилотирование вертолета, особенно при выполнении монтажа высотных объектов. 3. Предложен метод визуализации строительной оси монтажных объектов, базирующийся на использовании одного или нескольких выносных ориентиров видимости, установленных на объекте в горизонтальной плоскости через 90. Данный метод позволяет существенно упростить экипажу вертолета выполнение монтажа крупногабаритных конструкций со сплошной оболочкой на основание объекта меньшего диаметра и уменьшить потенциальную вероятность ошибочных действий со стороны пилота - монтажника. 4. Разработан и подтвержден исследованиями в аэродинамической трубе и в ЛИ метод определения параметров буксируемой мягкой оболочки на ВП вертолета. Выявлено, что при выполнении полетов с ВСУ на тросовой ВП с постоянной скоростью в спокойной атмосфере (или при наличии любого постоянного горизонтального ветрового обтекания емкости) угол между тросом ВП и вертикальной осью не может превышать величину 50 во всем диапазоне скоростей ГП вертолета. Получены предельные оценки возможного нестационарного поведения системы в целом, исключающие возможность попадания буксируемой мягкой оболочки в РВ вертолета при порывах ветра до 30 м/с. В случае ветровых порывов большей интенсивности (от 40 м/с и более) определен характерный интервал времени с момента начала порыва ветра до момента катастрофического отклонения троса от равновесного положения в опасную зону РВ, который составляет не более 3 с. 5. Развиты методы определения параметров полета вертолета с грузом на ВП при отказе одного двигателя в ГП, на режимах висения и вертикального маневрирования. Для указанных режимов определена максимальная полетная масса вертолета Ми-8МТВ при использовании ЧР одного работающего двигателя, установлены наивыгоднейшие скорости ГП, вертикальные скорости при наборе высоты и снижении. С учетом эксплуатационных ограничений определена максимальная дальность полета вертолета для гарантированного выполнения безопасной транспортировки ОВГ на ВП в случае отказа одного двигателя в полете, которая составляет 120 км (tn0n=l4 при V=120 км/ч). 6. Выбор оптимальных параметров полета вертолета с грузом на ВП, выявление возможности ослабления существующих летных ограничений, разработка практических рекомендаций по ЛЭ вертолетов на АСМР и транспортных работах с использованием ВП требуют применения специальных ММ, отображающих поведение системы «экипаж-вертолет-объект монтажа» в реальном времени и пространстве.
Изучение функционирования такой сложной системы как «экипаж -вертолет - объект монтажа» и составляющих ее элементов в нужной полноте и точности не поддаются обычными теоретическими методами. Прямой натурный эксперимент над ними долог, дорог, часто опасен, либо попросту невозможен. Цена ошибок и просчетов в обращении с ними недопустимо высока. Поэтому математическое моделирование динамики движения вертолета с грузом на ВП и решение задач по объективной оценке деятельности экипажа на различных этапах полета является, по мнению автора, важной составляющей в исследовании теории ЛЭ вертолета.
Известно, что ММ любого объекта должна обеспечивать выполнение основных принципов математического моделирования [57] и состоять из необходимых элементов [26]. Для задач моделирования полета ВС главными принципами следует считать адекватность и состоятельность результатов, что требует предельно четко сформулировать условия применимости ММ и опираться на проверенные временем законы и закономерности. Таким образом, необходимые элементы ММ приобретают вполне четкие очертания: описание основных допущений и замкнутое математическое описание, включающее в себя уравнения движения, уравнения связей, числовые и функциональные характеристики ВС и его систем управления [75].
Экспериментальные исследования параметров полета вертолета при аварийном сбросе груза с внешней подвески на режимах висения и в горизонтальном полете
С целью определения параметров ВП в момент аварийного сброса груза и оценки его влияния на безопасность выполнения отдельных видов авиационных работ, ВНИИ ПАНХ ГА (при участи автора) были проведены специальные ЛИ по сбросу груза на режиме висения и ГП вертолета Ми-8Т при различных массовых и аэродинамических характеристик груза, размещенного наВП[27,53].
Для проведения указанных исследований в качестве груза, подлежащего сбросу с ВП вертолета, было подготовлено 5 железобетонных и 5 металлических свай, три из которых представляли два сваренных между собой по нижней полке восьмиметровых рельса, а две - одиночные металлические сваи длинной восемь метров. Масса железобетонных свай составила 1,3-=-1,4- т, нижняя часть которых имела оживальную форму, а в верхней части к арматуре сваи был приварен крестообразный стабилизатор и скоба для кольца, с помощью которого осуществлялась подцепка сваи к электрозамку ВП вертолета.
Масса металлических сварных свай составляла по 800 кг в каждом блоке. В верхней части каждого блока устанавливался крестообразный стабилизатор и кольцо для подцепки тросов ВП. Сваи, выполненные в виде одного восьмиметрового рельса, имели массу 400 кг, но стабилизатором не оборудовались.
В момент сброса железобетонной сваи в результате мгновенного уменьшения полетной массы вертолета происходило кратковременное увеличение оборотов НВ на 1,5 -=- 2 % и высоты полета на 10 - - 15 м, ав результате снятия нагрузки с центрального каната ВП нижний электрозамок ДГ-64 массой 16 кг подбрасывался на высоту до 0,7 м от исходного положения (рис.4.3), что является приемлемой величиной по условиям обеспечения БП в случае аварийного или непреднамеренного сброса груза с ВП, например, при выполнении АСМР.
Указанные результаты были получены при сбросе железобетонных свай с высоты 100 м, а металлических — с высоты 80 м. Увеличение высоты сброса приводило к уходу металлических свай по вертикали к моменту соприкосновения с грунтом.
Исследования показали, что возмущенное движение при аварийном сбросе груза с ВП в ГП характеризуется энергичным подъемом вертолета вверх вследствие образовавшегося избытка тяги НВ, интенсивной продольной и поперечной раскачки, вызванной исчезновением моментов сил, действовавших на вертолет при транспортировке и колебаниях груза (рис.4.4).
На рис. 3.6 - 3.7 показаны изменения параметров полета вертолета Ка-32 ОАО НПК «ПАНХ» 15.09.03г. при аварийном сбросе груза массой 3200 кг с ВП, вызванного потерей располагаемой мощности в процессе захода на укладку груза на площадку, расположенную в горах на высоте 1700м.
Как следует из рис. 3.7 в процессе гашения поступательной скорости КВС развернул вертолет вправо против ветра и продолжил заход для укладки
С уменьшением скорости до 50 км/час и увеличением общего шага до 9 град, по УШВ, произошло падении оборотов НВ до минимально допустимых значений - 87 % и сработала предупреждающая звуковая и световая сигнализация минимальных предельных оборотов НВ при положении рычага общего шага близкого к «взлетному» режиму. Неоднократными попытками восстановить обороты НВ экипажу не удалось. С целью избежания возможности столкновения груза с людьми, находящимися на разгрузочной площадке и ухода на второй круг, экипаж перевел вертолет в разгон скорости по курсу вертолета. В виду продолжающегося самопроизвольного снижения вертолета, вызванного неисправностями в насосе-регуляторе правого двигателя и автоматическим срабатыванием ПОС, обороты НВ упали до значений 82,76 % в результате чего КВС вынужден был произвести аварийный сброс груза с ВП.
В следствии образовавшегося избытка тяги вертолет в течении 5 сек набрал высоту полета на 30м больше выбранной при заходе на укладку груза и, выполнив предпосадочный маневр, благополучно произвел посадку в районе сброса груза с ВП. Таким образом, для парирования подобных эволюции необходимы соответствующие запасы управления, что предусмотрено ограничениями на массу груза, перевозимого на ВП, и параметры элементов подвески, а также применением современных методов и средств стабилизации груза на ВП.
